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1、土壤水动力学 (Soil Water Dynamics)第7章 土壤植物大气 连续体水分传输Water Transport in SPAC (Soil-Plant-Atmosphere Continuum),毛 晓 敏 Tel: 13621343912 Email: ,第7章 土壤植物大气连续体水分传输,SPAC的概念及其中的水分传输过程 腾发量的估算方法 SPAC水分传输模型及应用 SPAC水热传输模型及应用,7.1 SPAC的概念及其中的水分传输过程,水分对植物生长的作用 植物生长条件下的主要水分传输过程 SPAC的概念,7.1.1 水分对植物生长的作用,植物细胞原生质(细胞膜、细胞质和细
2、胞核)含水量达80%以上时，才能进行活跃的生化反映，保持代谢,光合作用 光 能 6CO2+6H2O C6H12O6+6O2 叶绿素 营养物质的输送,蒸腾： 植物吸收水分的绝大部分消耗于蒸腾 蒸腾的作用： 植物吸收、传输水分、养分的驱动力：通过蒸腾作用，维持植物体内及其与土壤的水势梯度，从而不断地吸收、传输水分、养分 调节小气候，降低叶面温度，避免叶片灼伤,7.1.2 植物生长条件下的主要水分传输过程,水分传输过程： 土 壤根表面：土壤物理学 根表面根导管：植物生理学 根导管叶 面：植物生理学 叶 面大 气：气象学,水流类型： 液体水流：水在土壤、植物体的流动 水汽扩散：干土层、大气 水的相变：
3、蒸发、蒸腾 腾发,7.1.3 SPAC的概念,早期对各种水分传输过程单独研究，概念不统一 后来，用水势的概念综合研究水分传输，将土壤植物大气视为连续体，Philip于1966年提出SPAC的概念 土壤植物大气连续体： Soil-Plant-Atmosphere Continuum,SPAC系统的三个重要环节： 根系吸水过程 水在植物体内的输运过程 植物体内的水分向大气扩散过程,土根：q1 =-1/R1 根吸收： q2 =-2/R2 根叶： q3 =-3/R3 叶气： q4 =-4/R4,土壤,根表面,根导管,叶面,大气,R1,R2,R3,R4,1,2,3,4,7.2 腾发量的估算方法,腾发量及
4、其影响因素 腾发量的测定方法 估算腾发量的理论方法 估算腾发量的经验方法 估算腾发量的实用方法参考作物法 根据水量平衡模型估算腾发量,7.2.1 腾发量及其影响因素,腾发、蒸散发：Evapotranpiration 蒸发：Evaporation 蒸腾(Transpiration)：主要通过叶片气孔散失 水分在气孔腔和细胞间隙的叶肉表面蒸发（水面蒸发），水汽达到饱和 水汽由气孔腔经气孔向叶面气层扩散 水汽从叶面气层向大气扩散,叶片构造示意图,腾发的影响因素 能量：辐射，潜热消耗 L=2.5 MJ/kg 水汽输送：风速、温度梯度、湿度梯度 其它影响因素：植物生长状况、土壤供水状况,7.2.2 腾发
5、量的测定方法,直接测定法： 根据实测水分剖面，利用零(定位)通量法计算 称重式蒸渗仪 涡度相关法 间接测定法： Bowen比法 空气动力学法 。,涡度相关法（直接测定潜热、显热通量）,涡度相关是指某种物质的垂直通量，即这种物质的浓度与其垂直速度的协方差。涡度相关法已经成为直接测定大气与植物群落气体交换通量的通用标准方法。该试验区下垫面平坦均匀，符合涡度相关法观测要求。运用涡度相关法开路系统直接测定潜热通量和显热通量，通过用实时所测的垂直风速与水汽浓度和温度的协方差所得，其湍流通量的计算式可表示为：,Bowen比法（测定两个高度处的温、湿度）,测定两个高度处的温度和湿度。由：,7.2.3 估算腾
6、发量的经验方法,主要用于土壤供水充分条件下作物最大腾发量（作物需水量）或参考作物腾发量的估算 利用蒸发皿资料估算腾发量 ETmi=i E0,利用单一气象因素估算腾发量 辐射：LEm=a1Rs+a2 积温： ETmi=Hi Sti 需水系数 积温 气温： Blaney-Criddle公式：ETmi=KiPiTi/100 以月为单位， 耗水系数、月昼长占年比例、平均气温 Thornthwaite公式： 水汽压： ETmi=(es-e)=d,利用多个气象因素估算腾发量 Dalton型公式： ETmi=(es-e)f(u) Christiansen-Hargreaves公式： ETm=0.324RsC
7、TCuChCsCL 辐射， 修正：温度、风速、相对时度、日照百分比、高度,7.2.4 估算腾发量的理论方法,紊流扩散法（空气动力学法） 能量平衡法 综合法,紊流扩散法：空气动力学法和质量迁移法。由于近地表的空气处于紊流状态，空气质点的流径相互不平行，且以极不规则的方式相互掺混。由于空气紊流动这种特点，能将其中的微粒及运动属性迅速弥散。其速率远大于分子扩散的速率。 通过对紊流点平均速度、脉动速度、紊流输送到分析，得到： 根据2个高度处的有关气象资料，确定水汽、显热的垂直输送通量 风速 水汽压 气温,能量平衡法： 达到地面的短波辐射： Rs=Ra(a+bn/N) 净辐射： Rn=Rs(1-r)-R
8、L 能量平衡： Rn=C+E+G Bowen比： =C/(E) 潜热通量： E=(Rn-G)/(1+),综合法（1）：能量平衡与紊流扩散理论结合，只需一个高度的气象资料 Penman公式：水面湿润表面 其中Ea常称为干燥力，反映了空气湿度与饱和湿度差引起的蒸发量。,综合法 （2） Penman-Monteith公式：引入冠层气孔阻力，可用于计算腾发 其中ra空气边界层阻力，rc冠层气孔阻力 应用中，气孔阻力测定问题,7.2.5 估算腾发量的实用方法参考作物法,Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., Smith, M., 1998. Crop evapotra
9、nspiration - Guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and drainage paper 56,单作物系数法： ETm=KcET0 , ET=KsETm ， ET=Ks KcET0 ET0参考作物腾发量(Reference ET) Kc作物系数(Crop coefficient) Ks土壤供水系数 ETm土壤供水充分时的最大腾发量（作物需水量） ET实际腾发量 双作物系数法：,参考作物腾发量(Reference ET) 概念：参照作物腾发量为一种假想的参照作物冠层（作物高度为0.12m，固定
10、的叶面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而不缺水的绿色草地）的腾发速率 计算公式：FAO Penman-Monteith公式,作物系数： 与作物种类、品种、生长阶段、生育状况等因素有关，综合反映了实际作物与参考作物的差异 FAO概化的分段作物系数曲线： 越冬作物 非越冬作物 经验曲线：,土壤供水系数： 反映土壤水分胁迫对腾发的影响，与根系层土壤含水率的大小及分布、最大腾发强度有关 FAO方法： 经验公式：如,7.2.6 根据水量平衡模型估算腾发量,以上腾发量估算中，计算Ks需要根系层含水量资料，可根据水量平衡模型来推算： W=W2-W1=P
11、+I-ET-Q-R,7.3 SPAC水分传输模型及应用（恒温条件下土壤水分运动的模拟）,初始条件： 初始含水率（基质势）分布已知，即： (z,t) = 0(z) t=0 边界条件: 上边界为以地表土面蒸发强度控制的通量边界 下边界视具体情况而定。,植被资料 气象资料ET0ETm LAI Tm Em 根系层水分状况 地表水分状况 s(z,t), Ta Ea Richards方程,7.4 SPAC水热传输模型及应用,SPAC模型中冠层的处理： 大叶（单源）模式：冠层与地面的温、湿状况相同，不能区分蒸发、蒸腾，可用于矮草 双源模式：将冠层与地面分别考虑，可区分出蒸发、蒸腾，应用较为方便 层状模型、块
12、状模型、混合型模型 多源模式：将冠层分为多层，能详细描述冠层温、湿垂向分布，但参数多、计算复杂,大叶模式,层状模式,块状模式,混合模式,7.4.1 SPAC水热传输模型,能量分配 Rn= Rv+Rs Rs = Rn exp (-k LAI) Rv=LEv+Cv Rs=LEs+Cs+G C=Cv+Cs LE=LEv+LEs,土壤、冠层水热传输,水热传输阻力,水分胁迫条件下蒸腾量：,根区土水势修正系数：,根系吸水率S(t)：,根系吸水分布函数s(z, t)： s(z, t)=Evp(z, t) (,),土水势应力函数 (,)：,根系密度分布(z,t)： (z,t) = (4m-1) / zr(t)
13、(8m-4) z /zr(t)2 (其它根系密度函数),结果：,SPAC水热传输模型：,地表以上： Rs(T1,)=LEs(T1, , eb)+Cs(T1,Tb)+G Rv(T1,)=LEv(Tv, eb,)+Cv(Tv,Tb) C(Tb)=Cv(Tv,Tb)+Cs(T1,Tb) LE(eb)=LEs(T1, eb)+LEv(Tv, eb,) 未知量：冠层 Tb、eb；叶片Tv、 地表热通量G 地表以下土壤层：,7.4.2 模型求解,冠层温度Tb：二分法求解,冠层水汽压eb、叶面温度Tv、地表热通量G 地表蒸发速率Es、蒸腾速率Ev、根系吸水速率s(z,t) 土壤水热迁移方程：FDM,7.4.
14、3 模拟结果,北京永乐店试验站1994.3.156.12，B5小区 土壤水分模拟结果：,3.20,5.3 5.16,土壤温度模拟结果：,10cm 50cm,100cm 150cm,腾发过程：,模型敏感性分析：,1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。20.9.1620.9.16Wednesday, September 16, 2020 2、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。12:34:1912:34:1912:349/16/2020 12:34:19 PM 3、越是没有本领的就越加自命不凡。20.9.1612:34:1912:34Sep-2016-Sep-20 4、越是无能的人，越喜欢挑
15、剔别人的错儿。12:34:1912:34:1912:34Wednesday, September 16, 2020 5、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。20.9.1620.9.1612:34:1912:34:19September 16, 2020 6、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2020年9月16日星期三下午12时34分19秒12:34:1920.9.16 7、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2020年9月下午12时34分20.9.1612:34September 16, 2020 8、业余生活要有意义，不要越轨。2020年9月16日星期三12时34分19秒12
16、:34:1916 September 2020 9、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。下午12时34分19秒下午12时34分12:34:1920.9.16 10、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。9/16/2020 12:34:19 PM12:34:192020/9/16 11、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。9/16/2020 12:34 PM9/16/2020 12:34 PM20.9.1620.9.16 12、这一秒不放弃，下一秒就会有希望。16-Sep-2016 September 202020.9.16 13、无论才能知识多么卓著，如果缺乏热情，则无异纸上画饼充饥，无补于事。Wednesday, September 16, 202016-Sep-2020.9.16 14、我只是自己不放过自己而已，现在我不会再逼自己
